智慧教室的構建與應用研究——以中國礦業大學為例

張 凱 楊再明

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智慧教室的構建與應用研究——以中國礦業大學為例

張 凱 楊再明

（中國礦業大學 公共教學服務中心，江蘇徐州 221116）

教室作為教學活動發生的主要場所，是教學改革的前沿。智慧教室作為智慧教育的典型代表，自然成為了教育技術工作者關注的焦點。文章在深入分析闡述智慧教室的內涵、特征的基礎上，構建了智慧教室的系統模型。同時，文章以中國礦業大學智慧教室建設為例，給出了智慧教室建設的解決方案，并對其在教學中的實際應用進行了效果分析，以期對智慧教室的建設起到拋磚引玉的作用。

智慧教育；智慧教室；學習環境；設計與實現

《教育信息化“十三五”規劃》指出“要依托信息技術營造信息化教學環境，促進教學理念、教學模式和教學內容改革”[1]。近三年（2015～2017）的《地平線報告》也均有關于重新設計學習空間的表述[2]，教室作為教學活動發生的主要場所，世界各國越來越多地倡導ICT與教室的深度融合，以構建全新的教室學習環境來提高學習質量和效率[3]。如何為學習者營造更豐富、更有趣、更便捷、更高效的教室學習環境，成為各個高校教育技術工作者關注的熱點問題之一。

一 智慧教室的概念與特征

20世紀90年以來，技術與教育的融合深刻影響著教學模式的改變，為了適應課程教學，教室的形態、環境、裝備也發生了一系列的變化。近幾年，隨著物聯網、智能終端等新一代信息技術的發展與在教育教學中的廣泛應用，作為智慧教育的典型代表，智慧教室自然成為了教育信息化領域和教育技術工作者關注的熱點。

1 智慧教室的概念

智慧教室是智慧技術與現代教育思想相結合的必然產物，充分體現了智慧技術在教育中的應用。本研究認為，智慧教室是以現代教育思想為指導，以新一代信息技術為支撐，對教室空間進行整體設計，集多屏顯示、智能管控、直錄播、協作互動、人員考勤等功能為一體，對教學過程的各種信息與情境進行感知、記錄、分析，方便支持多種教與學的新型課堂教學環境，它實現了師生、資源、技術、環境的最佳耦合。

2 智慧教室的特征

結合對智慧教室的定義，智慧教室的特征主要體現在空間、技術、資源三個方面。

（1）智慧教室的空間特征

室內空間要擺脫傳統物理條件的限制，改變以講授為主的“秧田式”教室空間設計。通過靈活調整教室教學環境的布置，滿足靈活的課堂組織形式，支持不同類型的教學模式。根據人體生理和心理學的內在規律及特點，對室內的吊頂、墻體、燈光、地板、窗簾等進行整體的裝修設計和改造。為便于開展課堂互動教學，將室內的固定桌椅改成可拼接式且符合人體工程學的活動桌椅，配置可移動、升降演講臺，滿足不同身高的老師需求。

（2）智慧教室的技術特征

通過新一代信息技術實現各類應用、數據以及業務流程的整合，輔助老師進行多屏演示、遠程協作，實現師生、生生以及人與設備的便捷、高效互動，對教室內的環境、設備進行感知和智能化控制，對教學過程進行跟蹤、分析、處理[4]。

（3）智慧教室的資源特征

有線和無線全覆蓋，師生可以方便、快捷地獲取教學資源。全程記錄教學的全過程，同步產生優質的課堂教學資源。利用RSS技術訂閱網絡上開放的、動態多樣化的資源。利用Widget自由整合來自多個渠道的優秀教學資源，定制個性化學習場景。智能分析學習者的瀏覽行為與習慣，個性化推送學習資源。

二 智慧教室的系統模型

秉承模塊化設計理念，本研究提出一種由基礎設施、網絡環境、硬件、軟件四要素構成的系統模型，涵蓋基礎設施層、教學設備層、網絡層、服務層、應用層等五個層次，如圖1所示。

圖1 智慧教室的系統模型

①基礎設施層：主要由教室的物理空間、活動桌椅、講桌、供配電、照明、新風、空調等構成，為教學提供必要的物理平臺。教室裝修總體效果要美觀、大方、實用、和諧，室內空間要布局合理、簡潔明快，課座椅要符合人體工程學設計、方便自由組合，供配電要安全可靠，燈光布光要均勻、健康節能。

②教學設備層：教學設備層為核心業務層，為各種教學活動的開展提供環境保障。主要包括顯示系統、控制系統、擴音系統、錄播系統、終端設備、傳感器等，并可根據學科特點、實際需求以及資金情況，進行選擇性裝備。

③網絡層：提供多種網絡連接方式，確保上下層之間實現安全、可靠、無障礙的信息傳輸，使信息空間與物理空間進行無縫對接[5]，使學習資源的獲取、師生的交流更為便捷。

④服務層：運用云計算、大數據、物聯網、數據挖掘等信息技術，為應用層的智慧教學、智慧資源、智慧管理提供信息化、智能化公共支撐環境和綜合服務體系，主要包括身份認證、數據庫服務、計算與存儲、數據挖掘、虛擬桌面以及直錄播等服務。

⑤應用層：依托服務層提供全面的支持、服務和保障，將與智慧教室業務相關的教學系統整合成統一門戶和統一身份認證的教學應用云平臺[6]，實現信息數據的統一管理、資源與服務的按需分配。

此外，信息標準化體系和信息安全與運行維護體系有利于保障整個智慧教室的建設、運營及管控[6]。

三 智慧教室的設計與實現

為探索中國礦業大學（下文簡稱“學校”）一流的信息化課堂教學環境的建設進程，根據實際教學需求，學校于2016年完成了智慧教室試點建設工作，給全校師生營造了一個集教學理念先進化、教學設備智能化、教學環境個性化和教學模式多樣化等于一體的智慧學習環境。

1 室內空間設計

對教室空間環境進行全新定義與設計，實現人性化的教學環境。傳統的教室一般是以教為中心，推行“三尺講臺+固定桌椅”單一教室布局模式，講臺拉開了教師與學生的距離，固定桌椅將學生限制于方寸之地，很難實現師生之間無障礙的溝通。

智慧教室的設計首先要對教室的講臺區域進行改造，將講臺區域夷為“平地”，使師生處于同一水平面上，增加接觸和互動的機會[6]。配置靈活多變的可拼接桌椅，可根據教學活動的需要隨時變換布局，方便學生之間進行交流與協作，使學生更容易參與到課堂教學活動之中。桌椅一定符合人體工程學設計，可調節、可折疊，這樣不但能提高教室的資源使用率，而且有利于學生的健康，還有助于創造良好的課堂氣氛，提高學習效率。另外，為便于教學活動的開展，在智慧教室內的班級規模不易過大，一般安排容納30人左右。

改善室內環境，對室內空間進行整體的設計與裝修。改變傳統的以白色基調為主的環境，巧妙選擇墻體、吸音板、吊頂、PVC地板等材料的顏色，利用色彩營造一種清新大氣、淡雅舒適、簡潔溫馨的感覺。兩側墻壁采用吸音板進行裝飾，微孔鋁板進行吊頂，增加室內聲音的漫反射，縮短高頻混響時間，提高語言清晰度和錄播系統拾音的純凈度。采用冷光源布光，燈具色溫3200K，顯色指數不低于0.85，整體的平均照度要求大于1500 Lux，以保證攝像色彩真實，畫面層次豐富。安裝新風系統，對室內空氣進行凈化，保證CO2、甲醛、可吸入顆粒物（PM 2.5、PM 10等）病毒、細菌等處于安全值。

2 硬件、軟件環境的實現

智慧教室以現代教育理念為指導，實現了師生、資源、技術、環境的最佳耦合。智慧教室一般由多屏演示系統、教學擴音系統、智能交互系統、直錄播系統、物聯網綜合控制與服務系統、智慧班牌、教學資源建設與應用云平臺等六大核心部分構成，支持探究式教學、討論式教學、混合式學習、翻轉課堂等新型教學模式。設備系統結構和設備之間的拓撲圖如圖2所示。

圖2 主要設備系統拓撲圖

多屏演示系統由Star C教學平臺、云控制器臺、觸控一體機、視頻矩陣軟硬件組成。多屏演示系統支持多種顯示模式，包括：鏡像模式——雙屏顯示相同的文檔內容；關聯模式——雙屏顯示上下頁關聯的文檔內容；板書模式——一屏顯示文檔內容，一屏顯示板書。雙屏上均可以實現觸控一體機的書寫、標注、擦除等操作，達到了“隨處可寫，隨時可寫”的效果。

智能交互系統由交互服務器軟件、交互式終端、無線基站構成，實現了課堂中師生多類形式的交互和交互結果的實時統計及顯示。

教學擴音系統主要包括功率放大器、多媒體音箱、無線雙收雙發，用于教學的無線擴聲，方便教師的移動教學。

直錄播系統主要涉及錄播主機、云臺攝像機、數字音頻處理器等軟硬件。系統可以將授課過程中的老師、學生、教室全景、電腦VGA的畫面、聲音實時采集和錄制，全面記錄教學活動全過程，積累優秀的數字化教學資源。通過網絡實現整個教學過程的直播，滿足教務部門在線評估、教學督導的需求，教師之間相互評課、議課，進行校內教研交流。

物聯網綜合控制與服務系統主要包含中央控制主機、時序電源、各類傳感器、新風系統等軟硬件。系統可以通過程序化控制，實現教室內大屏、擴聲、燈光、空調、新風等順序延時通、斷電和各種必要的保護；對窗簾開合，燈光開關，信號切換，錄播系統錄制、停止、暫停等進行個性化控制；實時檢測室內的溫度、濕度、PM 2.5等的值，切換和啟動新風系統。

智慧班牌主要由顯示終端和控制軟件構成，具有電子課表、智能考勤、教學巡課等功能。與課表數據對接，改變傳統的課表張貼模式，實時更新課表信息和教室使用狀態。通過認證校園卡，實時對班級出勤情況進行統計，出勤情況實時推送到任課老師手機。接入教室內的監控攝像機進行巡課、巡考，免去對師生一切不必要的影響[7]。

教學資源建設與應用云平臺實現對教學過程的直播、錄制、管理、上傳、發布等功能，支持主流教學資源導入，實現資源快速存儲與發布；支持多種終端的訪問，方便學生隨時隨地進行學習。支持對視頻進行打點、評分、評論，方便師生進行交流，促進教師反思教學；采用ST教學行為分析自動采集記錄教學行為大數據，為教師提升教學水平提供客觀依據。

四 應用效果探析

為了檢驗智慧教室在教學中的應用效果，本研究進行了問卷調查研究和訪談，問卷涉及智慧教室的滿意度、應用效能、教育價值認知等方面。問卷調查參與人數132人，其中學生126人，任課教師6人；收回有效問卷131份，其中學生125份，教師6份，有效率99.24%。

①滿意度：從教室的教學環境設計、教學設備穩定性、系統易用性三個方面對智慧教室的滿意度進行了整體評價。127名（96.21%）師生對整體教學環境設計表示滿意，130名（98.48%）師生對教學設備穩定性表示滿意，121名（91.67%）師生對系統易用性表示滿意——從以上三個方面可以看出，師生對智慧教室的滿意度都達到了90%以上。總體來說，師生的滿意度還是比較高的，但是系統的易用性方面還有較大的改善空間。

②應用效能：120名（96%）學生在智慧教室內主要進行協作學習、探究式學習，說明教師的教學不再是傳統的、單一的講授式教學模式。大約13%的師生認為智慧教室未能滿足對學習（教學）的支持服務，說明在學習（教學）支持服務方面智慧教室還需進一步改進和完善。110名（88%）學生認為信息技術能力顯著提高，從側面說明智慧教室對課程的學習有很好的促進作用。

③教育價值認知：120名（96%）學生對在智慧教室內上課表示喜歡，認為基于智慧教室的教學能夠激發學習興趣、發揮主動性，能夠滿足自我學習需要、促進人際交往，可以看出大部分學生對智慧教室還是持積極態度的，說明智慧教室的學習環境受到了學生的歡迎。

對于“您認為智慧教室在課堂教學改革方面可以發揮哪些作用？”的訪談中，教師們也從教學模式、教學互動、教學評價三方面談了自己的感受：

①在教學模式方面，不再是傳統的灌輸式、填鴨式教學，而是從單一教學模式向多元化教學模式發展。根據教學內容，師生可以選擇不同的教學方法和學習方式，教學模式的選擇上更傾向于在先進技術和豐富資源支持下開展探究式教學、混合式學習、翻轉課堂等新型教學模式。

②在教學互動方面，智慧教室為課堂互動提供了有效的技術支持，實現了人與技術、設備、資源之間的多維互動[5]，支持對課前、課中、課后各環節的全面覆蓋。智慧教室提供了多種互動方式和各種學習支持服務，促進了學生的主動性學習、協作性學習，達到信息的分享與交流，變被動學習為主動求知，真正實現有意義的學習建構[8]。

③在教學評價方面，從傳統的結果性評價轉變為形成性評價。實現了對課程預習和課后的測評分析，教師能準確地把握每個學生對知識點的掌握情況。動態的診斷分析和即時反饋，教師可以及時優化并改進教學過程。形成了課程學習電子檔案袋，這種貫穿于課堂教學的全過程的學習分析、診斷與評價，重構了傳統教學評價體系[9][10]。

五 結束語

信息時代的學習將以智慧學習環境為基本依托，而智慧教室是智慧學習環境的典型代表之一[11]，為師生提供了開放的學習環境和豐富的教學資源。如果我們還是以傳統多媒體教室的眼光來看待，一定會限制甚至阻礙智慧教室的推廣與應用。基于智慧教室的教學能否取得良好的效果，主要取決于教師的投入和學生的參與，這既需要教師在教學工作中不斷地反思和嘗試，更需要學校在政策和制度層面上的配套建設，激發師生熱情，促進教學創新。

[1]任友群,鄭旭東,吳旻瑜.深度推進信息技術與教育的融合創新——《教育信息化“十三五”規劃》(2016)解讀

[J]現代遠程教育研究,2016,(5):3-9.

[2]金慧,劉迪,高玲慧,等.新媒體聯盟:《地平線報告》(2016高等教育版)解讀與啟示[J].遠程教育雜志,2016,(2):3-10.

[3]劉婷婷,陳增照,劉三女牙,等.創新信息技術,支撐教學變革——以蘇州市“未來教室”教育信息化建設為例[J].中國教育信息化,2016,(18):12-15.

[4]王玉龍,蔣家傅.智慧教育:概念特征、理論研究與應用實踐[J].中國教育信息化,2014,(1):10-13.

[5]程敏.智慧教室的設計與構建[J].實驗室研究與探索,2015,(6):248-252.

[6]程敏.信息化環境中智慧教室的構建[J].現代教育技術,2016,(2):101-107.

[7]Roomis. Roomis產品介紹[OL].

[8]張凱.校園SNS的構建與應用研究[D].銀川:寧夏大學,2012:55-58.

[9]唐斯斯,楊現民,單志廣,等.智慧教育與大數據[M].北京:科學出版社,2015:38-71.

[10]云亮,趙龍剛,李馨遲,等.智慧教育:互聯網+時代的教育大轉型[M].北京:電子工業出版社,2016:1-9.

[11]清華新氣象.重新定義課堂,從“課桌變形”和“削平講臺”開始[OL].

Research on the Construction and Application of Wisdom Classroom——Taking China University of Mining and Technology as an example

ZHANG Kai YANG Zai-ming

Asthe main place where teaching activities are held, classrooms are the forefront of teaching reform. Wisdom classroom, a typical representative of wisdom education, has naturally become the research focus of educators all over the world. Based on the deep analysis of the connotation and characteristics of smart classroom, this article firstly constucted a system model of smart classroom. Then, taking the construction of smart classrooms in China University of Mining and Technology as an example, solutions to the construction of smart classrooms were given, and its practical application effects in teaching were analyzed, expecting to cast a brick to attract jade for the future construction of smart classroom.

wisdom education; wisdom classroom; learning environment; design and implementation

G40-057

A

1009—8097（2018）10—0081—06

10.3969/j.issn.1009-8097.2018.10.012

張凱，實驗師，碩士，研究方向為新媒體技術、現代教育技術，郵箱為zhangkai0830@126.com。

2018年2月25日

編輯：小西